气田加热炉节能监测评价标准的制定研究

严海芬，杨良杰，王维星，陈武宁

中国石化中原油田分公司技术监测中心（河南濮阳457001）

■标准化

气田加热炉节能监测评价标准的制定研究

严海芬，杨良杰，王维星，陈武宁

中国石化中原油田分公司技术监测中心（河南濮阳457001）

加热炉是气田生产系统的主要用能设备，由于缺少相应的节能监测评价标准，制约了节能工作的开展。运用能量平衡原理，采用黑匣子方法，研究了气田加热炉的耗能方式及其影响因素，确定主要评价项目，分析不同因素对气田加热炉能效的影响规律，评估对评价项目的影响程度，研究制定了科学合理的评价标准。现场应用表明，该评价标准具有较好地适应性，为气田生产系统节能评价方法提供了科学合理的依据，有助于气田节能工作的全面开展。

气田加热炉；节能监测；评价标准

1 标准研究的必要性分析

加热炉是气田生产系统的主要用能设备，随着我国气田生产规模的不断扩大，其能耗问题和节能管理逐渐受到关注。通过节能监测，对其能耗状况进行分析评价，采取节能技术措施，有利于提高节能管理水平，促进节能技术进步。由于缺乏相关的监测与评价技术标准，制约了气田生产系统节能工作的开展[1]。

2 天然气加热炉能效评价方法研究

2.1 评价项目的确定

气田加热炉和油田加热炉在工作原理、结构等方面是相同的，因此气田用加热炉的评价项目可参考以下相关标准。参照GB 24848-2010《石油工业用加热炉能效限定值与能效等级》、SY/T 6275-2007《油田生产系统节能监测规范》等标准，初步确定天然气加热炉评价项目为：热效率、排烟温度、空气系数、炉体外表面温度[2-6]。

结合现场实际情况，对部分评价项目作进一步的修正。其中，炉体表面温度主要反映炉体散热损失。考虑炉体表面温度与环境温度关系较大，环境温度高时，炉体表面温度相应也高，此时采用炉体表面温度作为评价项目，可能超过评价值，但散热损失并不大；而环境温度低时，炉体表面温度相应也低，此时有可能存在炉体表面温度虽在合格范围内，但散热损失却较大的情况，失去了评价意义。因此采用炉体表面温度与环境温度的差值或表面热流密度更为科学。

根据不完全燃烧热损失理论计算，一氧化碳含量与气体不完全燃烧热损失成正比。假设空气系数为2，不完全燃烧热损失理论计算结果见表1。

表1 不完全燃烧热损失理论计算结果

由表1可以看出，当一氧化碳含量高于0.20%时，不完全燃烧热损失显著增大。统计122台加热炉，一氧化碳含量≥0.20%的12台，约占10%。因此将一氧化碳含量作为反映燃烧完全程度的评价指标。

最终确定评价指标见表2。

表2 加热炉评价项目

2.2 天然气加热炉效率理论分析

依据加热炉反平衡热效率的计算方法对加热炉进行理论分析。热效率的反平衡测试按照公式（1）进行，通过测出加热炉的各项热损失，然后按照公式计算出加热炉的热效率：

式中：η反为加热炉反平衡热效率，%；qj1为加热炉有效吸热量占输入能量的百分比，%；qj2为加热炉排烟热损失占输入能量的百分比，%；qj3为燃料不完全燃烧热损失占输入能量的百分比，%；qj4为散热损失占输入能量的百分比，%。

排烟热损失qj2

式中∶α为排烟处过量空气系数；tpy为排烟温度，℃；t0为环境温度，℃。

不完全燃烧热损失qj3

加热炉运行时外壁温度高于周围空气温度而向外界散热，形成散热损失，依据对流传热的原理，散热量占输入能量的百分比应该是散热损失qj4。

式中∶h为对流传热系数，W/(m2·℃)；B为燃料消耗量，m3/h；Qr为燃料低位发热量，kJ/m3；S为加热炉当量散热面积，m2；ty为炉体外表面平均温度，℃；t0为环境温度，℃。

由于对流传热系数与加热炉的周围的风速、风向等等有关，这些参数具有不确定性，不易测试。况且各气田的天然气的低位发热量相差很小，为简化分析，将燃料低位发热量近似为常数。因此，在燃料消耗量一定的情况下，将对流传热系数、燃气消耗量、燃料低位发热量归为常数项C0。

式中：h为对流传热系数，W/(m2·℃)；B为燃料消耗量，m3/h；Qr为燃料低位发热量，kJ/m3。

加热炉当量散热面积∶

式中∶h为对流传热系数，W/(m2·℃)；Δt为炉体外表面平均温度与环境温度之差，℃；A为加热炉散热面积，m2；hpj为平均对流传热系数，W/(m2·℃)；Δtpj为炉体外表面平均温度与环境温度之差的平均值，℃。

经过查找某系列加热炉的参数可知，炉体设计散热面积与加热炉的额定功率的0.6次方成线性关系。A∞P0.6，即A=b1·P0.6+b2，由此可知，S∞A，即可得：S=b3·A+b4=b3·b1·P0.6+b3·b2+b4

式中∶A为加热炉散热面积，m2；P为加热炉额定功率，kW；b,b1,b2,b3,b4,b5,b6为常数；C为提取出的常数，由现场测试可知，其表征的是加热炉结构的影响。

式中∶P为加热炉额定功率，kW；C0，C1，C2为常数；S为当量散热面积；ty为炉体外表面平均温度，℃；t0为环境温度，℃。

将式（2）、（3）、（8）代入式（1），结果见式（9）：

对式（9）中的变量α、βCO、tpy、t0、P、ty分别求偏导数，结果见表3。

表3 各变量的偏导数

2.3 评价分类因子分析与确定

依据理论分析可以确定影响加热炉的因素：空气系数、排烟一氧化碳含量、排烟温度、环境温度、额定功率、炉体外表面平均温度。根据测试实践，影响加热炉运行指标的客观因素中最主要的为额定效率、负荷率、环境温度对热效率的影响和环境温度对炉体表面温度的影响。

2.3.1 额定功率与热效率

在加热炉运行负荷相近（15%～40%）的情况下，对不同额定功率的加热炉的热效率进行统计。数据统计见表4，对比见图1。

表4 加热炉额定功率与热效率数据统计表

图1 加热炉额定功率与热效率关系对比图

通过测试数据分析，在加热炉运行负荷率相近的情况下，加热炉热效率随着额定功率的增大而提高。

2.3.2 负荷率与热效率

对加热炉按相同额定功率（1 000kW）在不同运行负荷下的热效率进行进一步统计，统计数据见表5，对比见图2。

表5 相同额定功率加热炉负荷率与热效率数据统计表

图2 相同额定功率加热炉负荷率与热效率关系对比图

由图2可以看出，负荷率与热效率存在显著的相关性。

2.3.3 环境温度与热效率

对加热炉在不同测试环境下的热效率进行统计，统计数据见表6，对比见图3。

表6 环境温度与热效率数据统计表

图3 环境温度与热效率关系对比图

通过对比分析，加热炉测试期间的环境温度与加热炉热效率关系不明显，不是影响热效率的主要因素。

从统计分析的结果可以看出，影响热效率的主要因素为额定功率、负荷率。

3 评价指标

通过研究，确定天然气加热炉评价项目为热效率、排烟温度、空气系数、一氧化碳含量、炉体外表面与环境的温差。下面以统计分析方法研究得出的热效率指标为例，确定热效率的评价值并进行验证。

通过对加热炉热效率与相关参数的统计分析，加热炉热效率主要和加热炉额定功率和加热炉运行负荷有关，在负荷相近的情况下，加热炉额定功率越大热效率越高；在额定功率相同的情况下，加热炉负荷越高热效率越高。

参照GB 24848-2010《石油工业用加热炉能效限定值与能效等级》，结合气田加热炉统计数据，将加热炉按额定功率分为≤200、200～500、500～1 000kW 3个区间。不考虑负荷的影响，统计结果见表7。

表7 加热炉热效率统计结果/%

如按70%合格为限定值，30%合格为节能评价值，则经取整处理后并考虑指标的合理间距，确定评价指标见表8。

表8 加热炉热效率评价指标

对额定功率小于200kW的加热炉进行统计，得出图4。

根据图形得出热效率与运行负荷率的关系式y=0.1021x+67.566，即负荷率每变化10个百分点，则效率变化约1个百分点。根据实测数据统计，最高运行负荷为64.3%，平均负荷为35.5%，为简化评价工作，将加热炉按10%～30%、30%以上分为2个区间，取区间平均负荷率对前述评价指标进行修正，得到评价指标，见表9。

图4 负荷率与热效率关系对比图

表9 加热炉热效率评价指标

通过统计分析方法和回归分析方法确定评价指标，2种分析方法得到的加热炉的热效率的限定值和节能评价值非常接近，为使结果更加准确，对2种方法得到的结果进行求平均值的方法进行处理。

综合统计分析方法和回归分析方法，最终得到加热炉各项评价项目的评价指标，见表10。

GB 24848-2010《石油工业用加热炉能效限定值与能效等级》规定的产品能效指标，见表11。

从表11可以看出，节能评价值接近国标规定的3级能效指标（对新产品额定效率最低要求）。

4 现场应用

天然气加热炉节能监测方法研究制定后，2014年以来在中国石化主要气田现场应用51台次，达到节能评价值的13台，占评价总数的25.5%；达到限定值的30台，占评价总数的58.8%。其中：

1）西南油气分公司新场气田共测试加热炉9台，采用以上评价指标评价加热炉热效率，达到节能评价值的2台，占测试总数的22.2%，达到限定值的5台，占测试总数的55.6%。

2）西北油田分公司雅克拉气田共测试加热炉7台，采用以上评价指标评价加热炉热效率，达到节能评价值的2台，占测试总数的28.6%，达到限定值的5台，占测试总数的71.4%。

3）东北油气分公司松南气田共测试加热炉4台，采用以上评价指标评价加热炉热效率，达到节能评价值的1台，占测试总数的25.0%，达到限定值的1台，占测试总数的25.0%。

4）中原油田分公司普光气田共测试加热炉31台，采用以上评价指标评价加热炉热效率，达到节能评价值的8台，占测试总数的25.8%，达到限定值的19台，占测试总数的61.3%。

通过验证，研究确定的节能评价方法和评价指标能够满足不同类型不同开发阶段气田天然气加热炉的节能测试评价需要。

表10 加热炉评价指标

表11 加热炉热效率能效指标/%

5 结论与认识

1）研究制定的气田加热炉节能监测评价标准通过现场测试与分析验证，适应性好，能够为天然气加热炉能效评价及节能挖潜措施的制定提供可靠的依据。

2）天然气加热炉节能监测方法的制定为气田生产系统节能监测标准的制定奠定了基础，有助于气田生产系统节能工作的全面开展。

[1]李明,李晓刚,付冬梅,等.炼油厂加热炉热效率综合测定技术[J].石油化工腐蚀与防护,2003,20（5）∶6-11.

[2]谭宁,李根先,周红梅,等.加热炉热效率的影响因素及对策[J].河南石油,2003,17（Z1）∶89-90.

[3]陈鲁,甄东胜,刘青,等.提高水套加热炉热效率的方法与实践[J].节能,2004（2）∶47-48.

[4]杨良杰,李哲.加热炉热效率与负荷关系研究[J].石油和化工节能,2011（6）∶4-8.

[5]石油工业节能节水专业标委会.油田生产系统节能监测规范：SY/T 6275-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[6]全国能源基础与管理标准化技术委员会.石油工业用加热炉能效限定值与能效等级∶GB 24848-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

The heating furnace is major energy consumption equipment of gasfield production system,and the lack of energy saving eval⁃uation standard restricts the development of energy-saving work.The energy consumption way of gasfield heating furnace and its influ⁃encing factors were studied using energy balance principle and black box method,the main energy-saving evaluation indexes of gasfield heating furnace are determined,the influence laws and degrees of the influence factors on the gasfield heating furnace energy efficiency are analyzed,and a scientific and reasonable energy saving evaluation standard for gasfield heating furnace was formulated.The field ap⁃plication shows that the evaluation standard has good adaptability,which provides a scientific and reasonable basis for the energy saving evaluation of gas field production system,and it is helpful to the comprehensive development of the energy conservation work in the gas fields.

gas field heating furnace;energy saving monitoring;evaluation standard

路萍

2015-10-30

严海芬（1981-），女，工程师，从事节能监测与研究、节能标准编制等方面的工作。